Architektura Sieci GSM

Fundamentalna struktura sieci GSM: podsystemy BSS, NSS i OSS.

Plan Globalnego Połączenia: Zrozumienie Struktury GSM

Aby osiągnąć ambitne cele bezproblemowego roamingu, bezpiecznej komunikacji i ogromnej pojemności, standard GSM został zaprojektowany w oparciu o wysoce zorganizowaną i modułową architekturę. Ta architektura to nie pojedynczy, monolityczny byt, ale zbiór połączonych ze sobą podsystemów, z których każdy pełni wyspecjalizowaną rolę. Zrozumienie tej struktury jest kluczowe, aby docenić, jak proste naciśnięcie przycisku na telefonie może połączyć Cię z kimś po drugiej stronie świata.

Sieć GSM jest logicznie podzielona na trzy główne podsystemy. Współpracując ze sobą, te trzy części tworzą kompletną, funkcjonalną sieć komórkową:

Podsystem Stacji Bazowych (BSS): Często nazywany częścią radiową, to fragment sieci, który obsługuje bezpośrednią komunikację radiową z Twoim telefonem komórkowym.
Podsystem Sieciowy i Komutacyjny (NSS): To rdzeń, czyli mózg sieci. Zarządza połączeniami, obsługuje uwierzytelnianie użytkowników, przechowuje dane abonentów i łączy sieć GSM z innymi sieciami telekomunikacyjnymi, jak sieć stacjonarna.
Podsystem Wsparcia Operacyjnego (OSS): Centrum zarządzania i utrzymania sieci. Zapewnia operatorowi narzędzia do monitorowania wydajności, zarządzania abonentami i dbania o płynne działanie wszystkiego.

Ogólny Schemat Sieci GSM

Ten diagram stanowi mapę ekosystemu GSM. Telefon komórkowy (MS) komunikuje się drogą radiową z Podsystemem Stacji Bazowych (BSS). BSS działa jak most, łącząc świat radiowy z przewodową siecią szkieletową, czyli Podsystemem Sieciowym i Komutacyjnym (NSS). NSS jest sercem operacji, podejmując decyzje i kierując połączenia. Na koniec, cały system jest nadzorowany przez Podsystem Wsparcia Operacyjnego (OSS). Przyjrzyjmy się każdemu z tych podsystemów szczegółowo.

Analiza 1: Podsystem Stacji Bazowych (BSS) - Sieć Radiowa

BSS jest odpowiedzialny za wszystko, co związane z łączem radiowym. Jego podstawową funkcją jest zapewnienie czystego i stabilnego połączenia między Twoim telefonem a siecią szkieletową. Zarządza falami radiowymi, cennym i współdzielonym zasobem, zapewniając, że tysiące użytkowników na niewielkim obszarze mogą komunikować się jednocześnie, nie zakłócając się nawzajem. BSS składa się z dwóch głównych typów komponentów.

A. Stacja Ruchoma (MS) - Twój Telefon

Chociaż często myślimy o sieci jako o infrastrukturze, urządzenie użytkownika, znane jako Stacja Ruchoma, jest integralną częścią architektury. Sama MS składa się z dwóch odrębnych części:

Urządzenie Mobilne (ME): To fizyczny telefon, czyli sprzęt. Każdy aparat ma unikalny 15-cyfrowy numer seryjny na stałe w nim zapisany, nazywany .
Moduł Identyfikacji Abonenta (SIM): Mała, wymienna karta inteligentna. Karta SIM nadaje telefonowi tożsamość w sieci. Przechowuje , czyli unikalny numer identyfikujący Cię jako abonenta, wraz z kluczami kryptograficznymi dla bezpieczeństwa oraz Twój numer telefonu ().

B. Stacja Nadawczo-Odbiorcza (BTS) - Maszt Komórkowy

BTS to komponent, z którym jesteśmy najbardziej zaznajomieni; są to maszty komórkowe i anteny, które widzimy wszędzie. BTS zawiera sprzęt radiowy, taki jak nadajniki-odbiorniki i anteny, które faktycznie komunikują się ze stacjami ruchomymi za pomocą fal radiowych. Każdy BTS obejmuje określony obszar geograficzny, znany jako . Główne funkcje BTS obejmują:

Nadawanie i odbiór sygnałów radiowych.
Modulację i demodulację sygnałów.
Stosowanie szyfrowania w komunikacji radiowej.
Przekazywanie sygnałów do i z Kontrolera Stacji Bazowych.

C. Kontroler Stacji Bazowych (BSC) - Lokalny Menedżer

Pojedynczy BSC to potężny komputer, który działa jako lokalny menedżer lub mózg dla grupy stacji BTS, często kontrolując dziesiątki, a nawet setki z nich. Jest to centralna inteligencja BSS. Podczas gdy BTS obsługuje surową transmisję radiową, BSC zarządza zasobami radiowymi. Jego kluczowe funkcje to:

Zarządzanie Kanałami Radiowymi: BSC przydziela i zwalnia częstotliwości radiowe oraz szczeliny czasowe dla telefonów komórkowych, gdy te wykonują i kończą połączenia.
Kontrola Przełączania (Handover): To jedno z jego najważniejszych zadań. Gdy się poruszasz, na przykład jadąc autostradą, Twój telefon przemieszcza się z obszaru zasięgu jednej komórki (zarządzanej przez jeden BTS) do drugiej. BSC zarządza tym procesem w sposób płynny, zapewniając kontynuację rozmowy bez przerw.
Kontrola Mocy: BSC może instruować zarówno telefon, jak i BTS, aby dostosowały poziomy mocy nadawania. Pomaga to oszczędzać baterię w telefonie i zmniejszać zakłócenia w sieci.

Analiza 2: Podsystem Sieciowy i Komutacyjny (NSS) - Sieć Rdzeniowa

Jeśli BSS jest częścią dostępu radiowego, NSS jest centralnym układem nerwowym. Obsługuje wszystkie funkcje wysokiego poziomu, które sprawiają, że sieć działa, od kierowania połączeń po zarządzanie profilami abonentów i zapewnienie bezpieczeństwa. Jest to most między światem mobilnym a globalnym systemem telekomunikacyjnym.

A. Centrala Komutacyjna (MSC)

MSC jest sercem NSS. To w zasadzie zaawansowana centrala telefoniczna na dużą skalę, zbudowana specjalnie dla komunikacji mobilnej. Jej główną rolą jest zestawianie, zarządzanie i kończenie połączeń. Kiedy dzwonisz, żądanie trafia z BSS do MSC. Następnie MSC kieruje połączenie do miejsca docelowego, niezależnie od tego, czy jest to inny telefon komórkowy w tej samej sieci, telefon w innej sieci komórkowej, czy telefon stacjonarny podłączony do Publicznej Komutowanej Sieci Telefonicznej (PSTN). Jest to centralny kontroler ruchu w sieci. Wyspecjalizowana centrala MSC, Bramowa Centrala Komutacyjna (GMSC), działa jako specyficzny punkt wejścia/wyjścia do sieci zewnętrznych.

B. Rejestr Abonentów Macierzystych (HLR)

HLR to duża, scentralizowana i stała baza danych, która zawiera wszystkie istotne informacje o każdym abonencie operatora komórkowego. Dla każdego użytkownika HLR przechowuje:

IMSI i MSISDN (numer telefonu) użytkownika.
Listę usług, z których abonent może korzystać (np. przekierowanie połączeń, połączenia międzynarodowe, usługi danych).
Klucze uwierzytelniające używane do celów bezpieczeństwa.
Kluczową informację o bieżącej lokalizacji abonenta, a konkretnie, w którym obszarze Rejestru Abonentów Gości (VLR) użytkownik się obecnie znajduje. Umożliwia to sieci zlokalizowanie użytkownika i skierowanie do niego połączeń przychodzących.

C. Rejestr Abonentów Gości (VLR)

VLR to tymczasowa baza danych powiązana z jedną lub kilkoma centralami MSC. Przechowuje tymczasową kopię danych z HLR dla wszystkich abonentów, którzy obecnie znajdują się w jej obszarze zasięgu. Kiedy podróżujesz do nowego miasta, informacje o Twoim abonamencie są kopiowane z Twojego HLR do VLR lokalnej centrali MSC. Głównym celem VLR jest redukcja ruchu sygnalizacyjnego. Zamiast kontaktować się z potencjalnie odległym HLR przy każdej próbie połączenia, MSC może szybko uzyskać niezbędne informacje z lokalnego VLR, co znacznie przyspiesza proces zestawiania połączenia.

D. Centrum Uwierzytelniania (AUC)

AUC to silnie chroniona i bezpieczna baza danych, która ściśle współpracuje z HLR. Przechowuje kopię tajnego klucza ( $K_i$ ) zawartego w karcie SIM każdego użytkownika. Jego jedynym celem jest dostarczanie parametrów bezpieczeństwa potrzebnych do uwierzytelnienia użytkownika i szyfrowania rozmów. Gdy włączasz telefon, sieć wysyła do niego losową liczbę (RAND). Twoja karta SIM używa swojego tajnego klucza ( $K_i$ ) do wykonania obliczenia z tą liczbą i odsyła wynik (SRES). AUC wykonuje to samo obliczenie. Jeśli wyniki się zgadzają, Twoja tożsamość jest zweryfikowana.

E. Rejestr Identyfikacji Urządzeń (EIR)

EIR to baza danych przechowująca numery IMEI aparatów komórkowych. Działa jako punkt kontroli bezpieczeństwa dla samych urządzeń fizycznych. EIR utrzymuje trzy listy:

Biała lista: Zawiera numery IMEI wszystkich legalnych, zatwierdzonych urządzeń, które mogą działać w sieci.
Szara lista: Zawiera numery IMEI urządzeń, które są pod obserwacją, być może z powodu problemów technicznych lub nieprawidłowości.
Czarna lista: Zawiera numery IMEI urządzeń zgłoszonych jako skradzione lub niezatwierdzonych do użytku. Urządzenia z tej listy mają zablokowany dostęp do sieci.

Analiza 3: Podsystem Wsparcia Operacyjnego (OSS) - Zarządzanie Siecią

OSS to "centrum dowodzenia" całej sieci GSM. Podczas gdy BSS i NSS obsługują bieżący ruch, OSS zapewnia platformę i narzędzia dla operatora do zarządzania, monitorowania i utrzymania sieci. Jest to złożony system komputerów, oprogramowania i operatorów ludzkich, pracujących za kulisami, aby zapewnić, że sieć jest sprawna i wydajna. Jego funkcje są często kategoryzowane jako OAM&P (Operacje, Administracja, Utrzymanie i Alokacja):

Operacje: Monitorowanie sieci w czasie rzeczywistym w celu wykrywania i reagowania na awarie. Obejmuje to zarządzanie alarmami i nadzór nad siecią.
Administracja: Zarządzanie kontami abonentów, obsługa rozliczeń i fakturowania oraz zbieranie statystyk dotyczących użytkowania sieci.
Utrzymanie: Wykonywanie rutynowej diagnostyki, planowanie napraw i zarządzanie aktualizacjami oprogramowania dla wszystkich komponentów sieci.
Alokacja (Provisioning): Konfigurowanie sieci w celu dodawania nowych abonentów, aktywowania nowych usług lub instalowania nowego sprzętu, jak stacje bazowe.

Podsumowanie: Harmonijna i Skalowalna Konstrukcja

Geniusz architektury GSM polega na jej modułowej i hierarchicznej budowie. Poprzez wyraźne oddzielenie funkcji dostępu radiowego (BSS) od rdzennych funkcji komutacyjnych i inteligencji (NSS) oraz zarządzanie wszystkim za pomocą dedykowanego systemu wsparcia (OSS), twórcy GSM zbudowali standard, który był niezwykle solidny, skalowalny i adaptowalny. Ten podział obowiązków pozwolił na niezależny rozwój różnych części sieci i umożliwił powstanie konkurencyjnego rynku, na którym różni producenci mogli budować kompatybilny sprzęt dla każdego podsystemu. Ten projekt sieci komórkowych okazał się tak skuteczny, że jego podstawowe zasady były przenoszone i adaptowane w każdej kolejnej generacji technologii mobilnej.